CN107402394A - 一种星载测频定位误差源在轨标校方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种星载测频定位误差源在轨标校方法和装置。所述方法包括：在测频卫星的波束覆盖范围内选取标校站，控制标校站发射处于测频卫星工作频段范围内的标校信号；控制测频卫星对标校信号进行N次频率测量，获得标校信号的频率测量矩阵；根据标校站在地心固连坐标系中的位置矢量、测频卫星在地心固连坐标系中的位置矢量、相对速度矢量，计算标校信号的状态矩阵；根据标校信号的真实频率、频率测量矩阵、频率测量次数N和状态矩阵，计算测频卫星的测频偏差估计值。可见，本发明采用在轨标校的方式进行长期漂移误差的消除，能够提高测频卫星对地面辐射源的测频精度和定位精度。

Description

一种星载测频定位误差源在轨标校方法和装置

技术领域

本发明涉及天基无线电定位技术领域，特别涉及一种星载测频定位误差源在轨标校方法和装置。

背景技术

现代战争是信息化战争，掌握战争的主动权的关键在于是否能优先感知战争态势。其中，无线电侦察技术作为战争态势感知的手段之一，在现代战争中起着重要的作用，特别是天基无线电侦察技术具有覆盖范围广、截获概率高、布置灵活、情报反应速度快、费效比高等优点，已经成为各军事强国的竞争焦点。

利用天基无线电侦察技术，不仅可以获得目标的无线电特征信息及情报信息，而且可以对目标进行定位、探知目标活动规律。通过融合目标的无线电信息与位置信息，能够提供更加有价值的军事情报。天基无线电定位技术是重要的技术要求之一。

在天基无线电定位技术的各种定位手段中，测频定位，即依靠侦查目标的无线电辐射特征，对侦查目标进行精确定位是最常用的手段。功能简单、成本低的皮纳卫星是天基无线电定位技术的发展趋势，结合测频定位手段，皮纳卫星既能实现无线电信号情报获取，又能对目标进行精确定位，皮纳卫星是重要的天基无线电侦察手段。

但是，由于皮纳卫星重量、体积及成本的限制，其作为数字接收机频率源的晶振频率稳定度可能比较差，长期漂移误差及短期漂移误差都比较敏感，晶振的长期漂移误差及短期漂移误差最终都会导致皮纳卫星对地面低速或静止辐射源的测频及定位存在一定误差，使得测频或定位不准确。其中，短期漂移误差主要受温度影响，并与温度成一定的比例关系，可以通过地面事先测量进行标校、补偿；但是，长期漂移误差主要受器件老化影响，随着在轨时间及空间环境的作用，该误差逐渐变大，无法通过地面标校进行补偿，只能进行在轨标校。长期漂移误差的存在，导致难以获得准确的测频信息，无法进行精确定位的问题。

发明内容

为了消除长期漂移误差对测频误差及定位误差的影响，提出了本发明的一种星载测频定位误差源在轨标校方法和装置。

根据本发明的一个方面，提供了一种星载测频定位误差源在轨标校方法，所述方法包括：

在测频卫星的波束覆盖范围内选取标校站，控制所述标校站发射处于所述测频卫星工作频段范围内的标校信号；

控制所述测频卫星对所述标校信号进行多次频率测量，获得所述标校信号的频率测量矩阵；

根据所述标校站在地心固连坐标系中的位置矢量、所述测频卫星在地心固连坐标系中的位置矢量、相对速度矢量，计算所述标校信号的状态矩阵；

根据所述标校信号的真实频率、所述频率测量矩阵、频率测量次数和所述状态矩阵，计算所述测频卫星的测频偏差估计值。

根据本发明的另一个方面，提供了一种星载测频定位误差源在轨标校装置，所述装置包括：

标校站选取单元，用于在测频卫星的波束覆盖范围内选取标校站，控制所述标校站发射处于所述测频卫星工作频段范围内的标校信号；

频率测量矩阵获取单元，用于控制所述测频卫星对所述标校信号进行多次频率测量，获得所述标校信号的频率测量矩阵；

状态矩阵计算单元，用于根据所述标校站在地心固连坐标系中的位置矢量、所述测频卫星在地心固连坐标系中的位置矢量、相对速度矢量，计算所述标校信号的状态矩阵；

测频偏差估计值计算单元，用于根据所述标校信号的真实频率、所述频率测量矩阵、频率测量次数和所述状态矩阵，计算所述测频卫星的测频偏差估计值。

综上所述，本发明的技术方案采用在轨标校的方式进行长期漂移误差的消除，通过在测频卫星波束覆盖范围内选取合适的标校站，并控制该标校站发射处于测频卫星工作频段范围内的标校信号，确保测频卫星具有足够长的弧段可以接收到标校信号；通过控制测频卫星对标校站的标校信号进行多次频率测量后，获得标校信号的频率测量矩阵；根据标校站在地心固连坐标系中的位置矢量、测频卫星的位置矢量、相对速度矢量，计算标校信号的状态矩阵；根据标校信号的真实频率、频率测量矩阵、频率测量次数和状态矩阵，计算测频卫星的测频偏差估计值，从而使用该测频偏差估计值校正测频卫星对地面辐射源的测频信息，获得校正后的频率测量信息并输出，以消除长期漂移误差对测频误差及定位误差的影响，提高测频卫星对地面辐射源的测频精度和定位精度。

附图说明

图1为本发明一个实施例提供的一种星载测频定位误差源在轨标校方法的流程示意图；

图2为本发明一个实施例提供的地心固连坐标系下的测频卫星与标校站的位置关系示意图；

图3为本发明一个实施例提供的一种星载测频定位误差源在轨标校装置的结构示意图；

图4为本发明一个实施例提供的一种星载测频定位误差源在轨标校的实施应用***示意图；

图5为本发明一个实施例提供的一种测频卫星星下点轨迹与标校站的位置关系；

图6为本发明一个实施例提供的一种标校信号到达测频卫星的真实到达频率与测频卫星的测量频率曲线图。

具体实施方式

本发明的设计思路是：为了消除长期漂移误差对测频误差及定位误差的影响，本发明提出一种星载测频定位误差源在轨标校方法，通过选取合适的标校站，控制该标校站发射处于测频卫星工作频段范围内的标校信号，控制测频卫星对该标校信号进行多次频率测量，然后根据标校站在地心固连坐标系中的位置矢量、测频卫星的位置矢量、相对速度矢量，计算标校信号的状态矩阵；根据标校信号的真实频率、测频卫星的频率测量矩阵、频率测量次数和状态矩阵，计算测频卫星的测频偏差估计值，从而利用该测频偏差估计值校正测频卫星对地面辐射源的测频信息，可实现测频卫星对地面辐射源的准确测频和准确定位。为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

图1为本发明一个实施例提供的一种星载测频定位误差源在轨标校方法的流程示意图。如图1所示，该方法包括：

步骤S110，在测频卫星的波束覆盖范围内选取标校站，控制标校站发射处于测频卫星工作频段范围内的标校信号。

本实施例中，需要在测频卫星的波束覆盖范围内选取一个合适的标校站，控制标校站发射处于测频卫星工作频段范围内的标校信号以保证标校信号可以被测频卫星获取到，同时确保测频卫星在足够长的弧段内均可接收到标校信号。

步骤S120，控制测频卫星对标校信号进行多次频率测量，获得标校信号的频率测量矩阵。

本实施例中的测量次数不做具体限定，大于等于1次均可。

步骤S130，根据标校站在地心固连坐标系中的位置矢量、测频卫星在地心固连坐标系中的位置矢量、相对速度矢量，计算标校信号的状态矩阵。

步骤S140，根据标校信号的真实频率、频率测量矩阵、频率测量次数和状态矩阵，计算测频卫星的测频偏差估计值。

获得测频偏差估计值后，在一定时间内就可以将该测频偏差估计值标校长期偏移误差，结合地面对短期漂移误差的标校，当测频卫星进行地面辐射源测频时，对测频卫星对地面辐射源的频率测量信息进行补偿修正，提高对地面低速或静止辐射源的测频精度与定位精度。可见，本发明采用测频定位误差源在轨标校的方式进行长期漂移误差的消除，提高测频卫星对地面辐射源的测频的准确度，进而提高对地面辐射源的定位精度。

在本发明的一个实施例中，步骤S120中的控制测频卫星对标校信号进行多次频率测量，获得标校信号的频率测量矩阵F为：

F＝[f_d1，f_d2，…，f_dN]^T，

其中，f_di(i＝1,…,N)为测频卫星对标校信号的N次频率测量值，N取大于1的整数。

图2为本发明一个实施例提供的地心固连坐标系下的测频卫星与标校站的位置关系示意图。如图2所示，简化地球模型为正球体，正球体的圆心为地心固连坐标系S_e的中心O。

令标校站B(静止)在地心固连系中的位置矢量为r_b，卫星S在地心固连系中的位置矢量与相对速度矢量分别为r_s、v_s。则标校信号到达卫星S的多普勒频率f_d为：

其中，ω_E为地球自转角速度矢量，c为光速，f_b为标校站实际辐射频率。可以证明，

(r_b-r_s)·((ω_E×r_b)-(v_s+ω_E×r_s))＝-(r_b-r_s)·v_s

那么上述公式可以简化为：

f_d＝f_b(1+u_sb·v_s/c)

u_sb＝(r_b-r_s)/||r_b-r_s||

由于作为卫星S中数字接收机频率源的晶振的不稳定特性，导致卫星S 对标校信号到达频率的测量存在多方面测量误差，即长期漂移误差、短期漂移误差和随机误差。其中，长期漂移误差是时间的函数，是随器件老化而形成的缓变过程，在一定时间内可认为是固定偏差，并可定期进行在轨标校；短期漂移误差是晶振温度的函数，随着晶振温度而不断变化，可以通过地面事先测量进行标校、补偿；随机误差表现为高斯白噪声，无法进行补偿。

在短期漂移误差经过地面标校进行补偿之后，卫星S对标校信号到达频率的测量将不存在短期漂移误差，只有长期漂移误差与随机误差。那么，对标校信号N次测量可以表示为：

f_di＝f_b(1+u_sbi·v_si/c)+Δ+ε_i i＝1，2，…，N

u_sbi＝(r_b-r_si)/||r_b-r_si|| i＝1，2，…，N

其中，r_si、v_si可以由卫星的GPS数据实时获得，Δ在短时间内为固定的测频偏差，ε_i为测频随机误差(为高斯白噪声)，将上述公式进行简单变换后写成矩阵形式为：

F-Gf_b＝CΔ+E

其中，C为全1的N×1维矩阵，

F＝[f_d1，f_d2，…，f_dN]^T

G＝[g₁，g₂，…，g_N]^T

E＝[ε₁，ε₂，…ε_N]^T

g_i＝1+u_sbi·v_si/c i＝1，2，…，N

那么，测频偏差Δ的估计值可表示为：

从上述推倒中可知，测频卫星测得的频率测量数据和测频卫星的位置矢量、相对速度矢量、标校站的位置矢量有方程关系。

如果获得卫星S在不同时刻的位置矢量、相对速度矢量以及标校站的位置矢量得到状态矩阵，然后通过上述公式建立状态矩阵和测频卫星测得的频率测量信息的关系，就可以获得测频偏差估计值

在本发明的一个实施例中，步骤S130中的根据标校站在地心固连坐标系中的位置矢量、测频卫星在地心固连坐标系中的位置矢量、相对速度矢量，计算标校信号的状态矩阵包括：

接收测频卫星的GPS数据，根据GPS数据获得测频卫星在不同时刻的位置矢量r_si和相对速度矢量v_si，则有

u_sbi＝(r_b-r_si)/||r_b-r_si|| i＝1，2，…，N

g_i＝1+u_sbi·v_si/c i＝1，2，…，N

标校信号的状态矩阵G为：

G＝[g₁，g₂，…，g_N]^T

其中，c为光速；r_b为标校站的位置矢量。

则步骤S140中的根据标校信号的真实频率、频率测量矩阵、频率测量次数N和状态矩阵，计算测频卫星的测频偏差估计值包括：

根据标校信号的真实频率、频率测量矩阵、频率测量次数N和状态矩阵，由测频偏差估计公式计算测频卫星的测频偏差估计值其中，测频偏差估计公式为：

其中，C为N×1维的单位矩阵，F为频率测量矩阵；G为状态矩阵；f_b为标校信号的真实频率；N为频率测量次数。

如上文说明中，获得测频偏差估计值后，在一定时间内就可以将该测频偏差估计值标校长期偏移误差，结合地面对短期漂移误差的标校，当测频卫星进行地面辐射源测频时，对测频卫星对地面辐射源的频率测量信息进行补偿修正，提高对地面低速或静止辐射源的测频精度与定位精度。在本发明的一个实施例中，图1所示的方法进一步包括：

使用测频偏差估计值校正测频卫星对地面辐射源的频率测量信息，获得校正后的频率测量信息并输出。

图3为本发明一个实施例提供的一种星载测频定位误差源在轨标校装置的结构示意图。如图3所示，该星载测频定位误差源在轨标校装置300包括：

标校站选取单元310，用于在测频卫星的波束覆盖范围内选取标校站，控制标校站发射处于测频卫星工作频段范围内的标校信号；

频率测量矩阵获取单元320，用于控制测频卫星对标校信号进行多次频率测量，获得标校信号的频率测量矩阵；

状态矩阵计算单元330，用于根据标校站在地心固连坐标系中的位置矢量、测频卫星在地心固连坐标系中的位置矢量、相对速度矢量，计算标校信号的状态矩阵；

测频偏差估计值计算单元340，用于根据标校信号的真实频率、频率测量矩阵、频率测量次数和状态矩阵，计算测频卫星的测频偏差估计值。

在本发明的一个实施例中，频率测量矩阵获取单元320控制测频卫星对所述标校信号进行多次频率测量，获得的标校信号的频率测量矩阵F为：

F＝[f_d1，f_d2，…，f_dN]^T，

其中，f_di(i＝1，…，N)为测频卫星对标校信号的N次频率测量值，N取大于1的整数。

在本发明的一个实施例中，状态矩阵计算单元330，用于接收测频卫星的GPS数据，根据GPS数据获得测频卫星在不同时刻的位置矢量r_si和相对速度矢量v_si，则有

u_sbi＝(r_b-r_si)/||r_b-r_si|| i＝1，2，…，N

g_i＝1+u_sbi·v_si/c i＝1，2，…，N

标校信号的状态矩阵G为：

G＝[g₁，g₂，…，g_N]^T

其中，c为光速；r_b为标校站的位置矢量。

在本发明的一个实施例中，测频误差计算单元340，用于根据标校信号的真实频率、频率测量矩阵、频率测量次数和状态矩阵，由测频偏差估计公式计算测频卫星的测频偏差估计值其中，测频偏差估计公式为：

其中，C为N×1维的单位矩阵，F为频率测量矩阵；G为状态矩阵；f_b为标校信号的真实频率；N为频率测量次数。

在本发明的一个实施例中，图3所示的装置进一步包括：校正单元，用于使用测频偏差估计值校正测频卫星对地面辐射源的频率测量信息，获得校正后的频率测量信息并输出。

图3所示的星载测频定位误差源在轨标校装置可应用于地面运控及数据处理***中，并且适用于功能简单、成本低的皮纳卫星测频定位标校，以提高测频、定位精度。

需要说明的是，图3所示的装置与图1所示方法的各实施例对应相同，上文已有详细说明，在此不再赘述。

图4为本发明一个实施例提供的一种星载测频定位误差源在轨标校的实施应用***示意图。如图4所示，本应用***包括卫星、地面标校站和地面运控及数据处理***。地面标校站和地面运控及数据处理***包括有图3所示的星载测频定位误差源在轨标校装置。

为使本发明的技术效果更加明显，下面将通过本发明技术方案的仿真结果进行说明。在仿真实验中，首先利用本发明提出的星载测频定位误差源在轨标校方法实施，然后通过Monto-Carlo方法给出测频偏差的估计误差统计结果。

令测频卫星轨道为500km高的太阳同步轨道，侦收天线覆盖地面波束宽度为120度，地面标校站的经纬度为(143°,31.25°)，图5为本发明一个实施例提供的一种测频卫星星下点轨迹与标校站的位置关系，如图5所示，该标校站在测频卫星星下点轨迹的左侧。

令卫星位置自定位误差5m(1σ)、速度自定位误差0.1m/s(1σ)，测频随机误差为1kHz(1σ)，由长期漂移引起的真实测频偏差为10kHz，卫星接收标校信号的观测时间为200s，1s给出一次测频结果，地面标校站的真实辐射频率为2.7GHz。通过仿真计算，可以得到测频偏差的估计值为9.96kHz，与真实值10kHz非常接近。图6为本发明一个实施例提供的一种标校信号到达测频卫星的真实到达频率与测频卫星的测量频率曲线图。如图6所示，标校前测量频率与真实到达频率始终存在固定偏差，而利用测频偏差估计值获得的标校后的测量频率始终围绕真实到达频率上下波动，可认为其波动范围由测频随机误差引起。

采用Monto-Carlo方法进行测频偏差的估计误差统计(仿真10000次)，获得估计误差的标准差为70.7Hz(1σ)，可见，估计精度非常高。那么，利用本发明进行的测频偏差估计值进行测频卫星对地面辐射源的测频信息的标校后，可以获得准确的测量频率值，进而进行地面辐射源的准确定位。

综上所述，本发明的技术方案采用在轨标校的方式进行长期漂移误差的消除，通过在测频卫星波束覆盖范围内选取合适的标校站，并控制该标校站发射处于测频卫星工作频段范围内的标校信号，确保测频卫星具有足够长的弧段可以接收到标校信号；通过控制测频卫星对标校站的标校信号进行多次频率测量后，获得标校信号的频率测量矩阵；根据标校站在地心固连坐标系中的位置矢量、测频卫星的位置矢量、相对速度矢量，计算标校信号的状态矩阵；根据标校信号的真实频率、频率测量矩阵、频率测量次数和状态矩阵，计算测频卫星的测频偏差估计值，从而使用该测频偏差估计值校正测频卫星对地面辐射源的测频信息，获得校正后的频率测量信息并输出，以消除长期漂移误差对测频误差及定位误差的影响，提高测频卫星对地面辐射源的测频精度和定位精度。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，在本发明的上述教导下，本领域技术人员可以在上述实施例的基础上进行其他的改进或变形。本领域技术人员应该明白，上述的具体描述只是更好的解释本发明的目的，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种星载测频定位误差源在轨标校方法，其特征在于，所述方法包括：

在测频卫星的波束覆盖范围内选取标校站，控制所述标校站发射处于所述测频卫星工作频段范围内的标校信号；

控制所述测频卫星对所述标校信号进行多次频率测量，获得所述标校信号的频率测量矩阵；

根据所述标校站在地心固连坐标系中的位置矢量、所述测频卫星在地心固连坐标系中的位置矢量、相对速度矢量，计算所述标校信号的状态矩阵；

根据所述标校信号的真实频率、所述频率测量矩阵、频率测量次数和所述状态矩阵，计算所述测频卫星的测频偏差估计值。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，控制所述测频卫星对所述标校信号进行多次频率测量，获得所述标校信号的频率测量矩阵F为：

F＝[f_d1,f_d2,…,f_dN]^T，

其中，f_di(i＝1,…,N)为所述测频卫星对所述标校信号的N次频率测量值，N取大于1的整数。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述根据所述标校站在地心固连坐标系中的位置矢量、所述测频卫星在地心固连坐标系中的位置矢量、相对速度矢量，计算所述标校信号的状态矩阵包括：

接收所述测频卫星的GPS数据，根据所述GPS数据获得所述测频卫星在不同时刻的位置矢量r_si和相对速度矢量v_si，则有

u_sbi＝(r_b-r_si)/||r_b-r_si||i＝1,2,…,N

g_i＝1+u_sbi·v_si/c i＝1,2,…,N

所述标校信号的状态矩阵G为：

G＝[g₁,g₂,…,g_N]^T

其中，c为光速；r_b为所述标校站的位置矢量。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述根据所述标校信号的真实频率、所述频率测量矩阵、频率测量次数和所述状态矩阵，计算所述测频卫星的测频偏差估计值包括：

根据所述标校信号的真实频率、所述频率测量矩阵、频率测量次数和所述状态矩阵，由测频偏差估计公式计算所述测频卫星的测频偏差估计值其中，所述测频偏差估计公式为：

其中，C为N×1维的单位矩阵，F为所述频率测量矩阵；G为所述状态矩阵；f_b为所述标校信号的真实频率；N为频率测量次数。

5.如权利要求1-4任一项所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括：

使用所述测频偏差估计值校正所述测频卫星对地面辐射源的频率测量信息，获得校正后的频率测量信息并输出。

6.一种星载测频定位误差源在轨标校装置，其特征在于，所述装置包括：

标校站选取单元，用于在测频卫星的波束覆盖范围内选取标校站，控制所述标校站发射处于所述测频卫星工作频段范围内的标校信号；

频率测量矩阵获取单元，用于控制所述测频卫星对所述标校信号进行多次频率测量，获得所述标校信号的频率测量矩阵；

状态矩阵计算单元，用于根据所述标校站在地心固连坐标系中的位置矢量、所述测频卫星在地心固连坐标系中的位置矢量、相对速度矢量，计算所述标校信号的状态矩阵；

测频偏差估计值计算单元，用于根据所述标校信号的真实频率、所述频率测量矩阵、频率测量次数和所述状态矩阵，计算所述测频卫星的测频偏差估计值。

7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，

所述频率测量矩阵获取单元控制所述测频卫星对所述标校信号进行多次频率测量，获得的所述标校信号的频率测量矩阵F为：

F＝[f_d1,f_d2,…,f_dN]^T，

其中，f_di(i＝1,…,N)为所述测频卫星对所述标校信号的N次频率测量值，N取大于1的整数。

8.如权利要求7所述的装置，其特征在于，

所述状态矩阵计算单元，用于接收所述测频卫星的GPS数据，根据所述GPS数据获得所述测频卫星在不同时刻的位置矢量r_si和相对速度矢量v_si，则有

u_sbi＝(r_b-r_si)/||r_b-r_si||i＝1,2,…,N

g_i＝1+u_sbi·v_si/c i＝1,2,…,N

所述标校信号的状态矩阵G为：

G＝[g₁,g₂,…,g_N]^T

其中，c为光速；r_b为所述标校站的位置矢量。

9.如权利要求8所述的装置，其特征在于，

所述测频误差计算单元，用于根据所述标校信号的真实频率、所述频率测量矩阵、频率测量次数和所述状态矩阵，由测频偏差估计公式计算所述测频卫星的测频偏差估计值其中，所述测频偏差估计公式为：

其中，C为N×1维的单位矩阵，F为所述频率测量矩阵；G为所述状态矩阵；f_b为所述标校信号的真实频率；N为频率测量次数。

10.如权利要求6-9任一项所述的装置，其特征在于，所述装置进一步包括：

校正单元，用于使用所述测频偏差估计值校正所述测频卫星对地面辐射源的频率测量信息，获得校正后的频率测量信息并输出。